薰衣草精油是壹種復雜的混合物，由許多不同類型的芳香化合物組成。薰衣草精油的成分和含量可能會受到蒸餾過程的影響，但主要是由植物種類決定的。分析薰衣草精油化學成分的方法很多，包括氣相色譜-質譜(GC-MS)或氣相色譜-紅外標準分析(GC-IRFT)。精油通常是用水蒸氣蒸餾法從薰衣草的花和葉中提取的，但葉和花提取的精油化學成分差異很大，因為大部分精油都在花中。用C-NMR法對市售薰衣草精油中的萜類化合物進行了研究，確定精油的主要成分為芳樟醇、乙酸芳樟酯、案樹腦、β-紫蘇烯(包括順式和反式)、萜類化合物-4-醇和樟腦。由於使用的薰衣草種類不同，它們在精油中的含量會有明顯的不同，這就決定了它們會有不同的市場價格，不同的應用範圍，不同的香味。從薰衣草的水-甲醇提取物中分離出迷叠香酸、咖啡酸、木犀草素和木犀草素，用薄層色譜法測定其含量分別為1.16%、0.11%和0.011%。
傳統上主要分析薰衣草花頭中的精油。最近研究的重點轉移到花的“香”的分析上，即只分析揮發性成分而不是所有的精油。這些植物的典型香氣分析結果證實，法國熏草和棉毛熏革精油中樟腦含量較高，驅蟲效果明顯。而狹葉薰衣草和齒葉薰衣草精油中的樟腦含量很低(< 2%)。樟腦含量低的薰衣草植物往往具有較高的萜烯(石竹烯)和倍半萜烯(石竹烯)。不同薰衣草品種的香味略有差異是因為精油成分的不同，尤其是芳樟醇、乙酸芳樟酯和各種倍半萜的成分和含量，會直接影響香薰的效果或其藥理作用。